WO2023285683A1 - Verfahren und anlage zur qualitätsüberwachung des fermentationsprozesses bei bier - Google Patents

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WO2023285683A1
WO2023285683A1 PCT/EP2022/069918 EP2022069918W WO2023285683A1 WO 2023285683 A1 WO2023285683 A1 WO 2023285683A1 EP 2022069918 W EP2022069918 W EP 2022069918W WO 2023285683 A1 WO2023285683 A1 WO 2023285683A1
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beer
sample
fermentation
determining
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PCT/EP2022/069918
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Manfred Dausch
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Manfred Dausch
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C11/00—Fermentation processes for beer
    • C12C11/003—Fermentation of beerwort
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
    • G01N33/14—Beverages
    • G01N33/146—Beverages containing alcohol
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/88—Integrated analysis systems specially adapted therefor, not covered by a single one of the groups G01N30/04 - G01N30/86
    • G01N2030/8886—Analysis of industrial production processes

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for automated quality monitoring of the fermentation process and/or for determining the end point of the fermentation during the beer brewing process in the production of beer by determining one or more aroma components or other ingredients in the beer.
  • the brewing process used to produce beer is based on fermentation, which involves a number of metabolic processes that lead to the formation of various chemical compounds and by-products.
  • alcoholic fermentation due to the metabolism of the brewer's yeast used for the fermentation, a large number of by-products are produced which have a significant influence on the aroma, the taste and thus also the quality of a beer.
  • by-products include vicinal diketones (VDK), higher alcohols, esters, organic acids, sulfur compounds, phenols, carbonyls and hop oils, among others.
  • VDK vicinal diketones
  • a beer is therefore a highly complex multi-component mixture with a large number of aroma compounds, the presence and concentration of which can ultimately be attributed to the complex yeast metabolism.
  • bouquet substances which include higher alcohols, esters and organic acids. They essentially determine the aroma of the beer.
  • young beer bouquet substances which include aldehydes, vicinal diketones and sulfur compounds. If present, they give the beer an immature, inharmonious taste or smell and, in higher concentrations, have a negative effect on the beer quality.
  • the aim of the fermentation and the beer maturing process is to reduce the concentration of the green beer bouquet substances in the beer as far as possible and to enrich the bouquet substances in the desired concentration ranges.
  • reference substances are used that correlate with the sensory quality of the beer.
  • These key substances include the vicinal diketones, which give the beer an impure, sweet taste and even a disgusting taste when a certain threshold value is exceeded.
  • the most important aroma components of the vicinal diketones include diacetyl (butane-2,3-dione), pentane-2,3-dione.
  • brewer's yeasts produce diacetyl from the metabolic intermediate acetolactate, which they further reduce to 2,3-butanediol.
  • diacetyl concentrations are often expressed as “total diacetyl” concentrations, ie, the sum of free diacetyl and ⁇ -acetolactate ("potential diacetyl” or "diacetyl precursor"), to emphasize potential diacetyl concentrations .
  • the aroma of diacetyl is often described as buttery, sweet and occasionally caramel.
  • the content of vicinal diketones in the finished beer i.e. in filled bottles or kegs) is therefore an essential criterion for the degree of maturation and thus for the quality of the beer.
  • Diacetyl has a taste threshold of about 0.1 to 0.15 milligrams per liter, 2,3-pentanedione about 10 times higher.
  • the monitoring of vicinal diketones as key substances and other aroma components is therefore an important part of the fermentation process.
  • the threshold value is preferably between 3 and 100 ppb (parts per billion), intermediate ranges and intermediate values also being covered by the invention.
  • the threshold level of diacetyl is typically between 5 and 20 ppb.
  • a higher threshold of between 40 and 100 ppb, preferably between 60 and 80 ppb, is often sufficient because of the human sensory threshold.
  • Perception of diacetyl in beer is quite variable in humans and sensory differences are often genetic. However, a large number of people are taste sensitive and notice changes in taste due to higher concentrations of vicinal diketones in the finished beer.
  • the vicinal diketones are not formed by the yeast themselves in their metabolism, only their precursors.
  • the precursors are acetohydroxy acids that are released into the beer during the fermentation process.
  • the precursors of the vicinal diketones are tasteless and odorless and can therefore only be determined using sensitive gas-chromatic methods.
  • the precursor of diacetyl (butane-2,3-dione, 2,3-butanedione) is 2-acetolactate
  • the precursor of pentane-2,3-dione (2,3-pentanedione) is 2-acetohydroxybutyrate.
  • the concentrations of the precursors of the vicinal diketones increase, with their peak usually being reached between 20 and 50% of the fermentation time, depending on the type of beer. Thereafter, the precursors are converted into the vicinal diketones, whose concentration is again highest at the end of the fermentation.
  • the VDK levels drop again because the yeast uses the VDK as an energy source. If the yeast is removed too early during the maturation process or if the process is stopped, VDK can appear later in the finished beer and cause the undesirable loss of taste there.
  • VDK levels as part of the beer aging process.
  • a VDK value that is as low as possible is desirable for traditional lager beer. Therefore, the beer is stored for several weeks after fermentation so that the yeast has enough time to metabolize the remaining VDK.
  • WO 2017/218039 A1 describes an in-line method for detecting chemical compounds in beer.
  • the chemical compound is measured using an infrared (IR) cell using IR spectroscopy.
  • the chemical compound can be a vicinal diketone.
  • the IR cell can be an IR-ATR cell, in which, for example, RAMAN spectroscopy, gas electrode analysis, headspace analysis by gas chromatography or electrochemical detection can take place.
  • the beer sample is fed to a heater via a pump in order to then obtain IR-ATR data. Fermentation parameters can then be adjusted based on the calculated diacetyl compound concentrations.
  • the method requires IR spectroscopy to be carried out, which is correspondingly complex and error-prone. Also, the success of fermentation is ultimately not reliable and thus the degree of maturation of beer during the brewing process.
  • sample processing consists of degassing a sample of beer taken in order to remove non-liquid suspended matter.
  • a degassing module can be provided for this, with a subsequent filtration device for removing suspended matter (e.g. yeast, cell residues) from the beer sample.
  • suspended matter e.g. yeast, cell residues
  • degassing takes place during centrifugation.
  • the filtrate or centrifugate is then introduced into a sample conversion module and the samples are heated until the precursors of aroma components have been completely converted into the actual aroma components.
  • the method according to the invention is designed for automated quality monitoring of the fermentation process and/or for determining the end point of the fermentation during the beer brewing process in the production of beer and is based on an automated determination of components of the beer, preferably aroma components of the beer, in particular of vicinal diketones (VDK) , but also other ingredients such as aldehydes, sulfur compounds or organic compounds.
  • the aim is to obtain an in-line control of the beer quality in the process in order to optimize the fermentation and maturation process in the production of beer.
  • the required storage times can thus be determined exactly for each type of beer. It is also possible to immediately track down a faulty batch. By automating quality control, process steps can be implemented immediately, since the end point of the fermentation can be precisely determined.
  • the method according to the invention can measure automatically at specific points in time, for example every 20 minutes, and determines the desired values at a low detection limit for diacetyl and 2,3-pentanedione of 1 ppb (parts per billion). If the VDK content is too high and the desired beer quality has not yet been achieved, the maturing process can be extended. Conversely, the maturing process can be stopped when the desired beer quality has been reached. The end point of the fermentation or the maturation process is thus determined within the scope of the inline determination method according to the invention within a very short time. The method thus enables automated quality monitoring of the fermentation process and/or determination of the end point of the fermentation during the beer brewing process during production.
  • the method according to the invention is based, inter alia, on the determination of one or more aroma components of the beer, in particular of vicinal diketones such as diacetyl (butane-2,3-dione) or pentane-2,3-dione, or other ingredients that are specific to the beer in question are characteristic.
  • a sample preparation is necessary before the measurement in order to be able at all to obtain reliable measurement results during the fermentation process.
  • Sample processing includes degassing the beer sample taken from the fermentation tank, removing suspended matter if necessary, converting ingredients in the sample tanks and removing measurement gas from the sample tank in order to then feed it to a measuring device.
  • the determination of the concentration of the VDK is necessary in particular to determine the end point of the fermentation.
  • the further or other components or ingredients of the beer can be analyzed with the measuring device in order to get an impression of the course of the fermentation and/or the quality of the beer. This is preferably done by the spectroscopic analysis of one or more components of the beer and a subsequent analysis of the main components.
  • the method according to the invention for automated quality monitoring of the fermentation process and/or for determining the end point of the fermentation during the beer brewing process in the production of beer by determining one or more aroma components or other ingredients of a beer comprises the steps in a preferred variant: a) automated removal a beer sample from one or more fermentation vessels, b) degassing and filtering as necessary, or centrifuging the beer sample to remove non-liquid suspended matter, c) introducing the filtrate or centrifugate of the beer sample into a sample conversion module consisting of one or more sample vessels, in each of which a defined sample volume of the required filtered or centrifuged beer sample is introduced, in which a sufficient headspace volume is still available, d) heating the samples in the sample container or the sample containers for Umwandl ung of precursors of the aroma components into the aroma components or of ingredients, with the heating being carried out until the precursors of the aroma components have been almost completely converted into the aroma components, e) removing measurement gas from the headspace of the sample container or from one of the
  • the filtration or the centrifugation preferably takes place in a separation device. If the beer sample taken is filtered, degassing of the sample is necessary for an optimal result. Therefore, after the automated removal of the beer sample from the one or more fermentation tanks, the method according to the invention comprises transferring and degassing the sample taken from the fermentation tank or tanks in a degassing module. Only then does the filtration of the beer sample follow, if necessary, to remove non-liquid suspended matter.
  • the degassing module can also be omitted.
  • the beer sample from the fermentation tank or tanks is fed directly into the centrifuge. After centrifugation, the beer sample centrifugate is introduced into the sample conversion module.
  • Period withdrawal means the withdrawal of a beer sample from a tank farm at specified times or intervals.
  • the extraction is automated through the use and arrangement of process valves, which enable specific sample volumes to be extracted from the fermentation vessels.
  • Suspended matter also called cloudy matter
  • these include, for example, chemical (e.g. proteins) and biological (e.g. yeasts) turbidity or other suspended matter.
  • fermentation usually takes place in tank farms or fermentation stores, with alcoholic fermentation taking several days to complete.
  • the amount of diacetyl in the fermentation tank is influenced, among other things, by the fermentation temperature, the fermentation time and the pH value. Since the VDK are converted into less flavor-intensive molecules towards the end of the fermentation process, the beer should only remain in the tanks for as long as necessary in order to realize a higher throughput of the beer production and to ensure the quality of the beer product.
  • a beer sample is automatically taken from the fermentation tank or fermentation tank in a defined cycle and the content of the VDK is determined. For this purpose, several valves are switched for sampling, which means that manual sampling is no longer necessary.
  • the sample taken from the tanks is transferred to a degassing module and then to an optional separation device, eg a filter, a filter device or a centrifuge. Sampling valves on the tank and sampling lines are provided for sampling.
  • the separation device is used to remove suspended matter that could affect the analytical evaluation when determining the VDK. Particles can interfere with the measurement by scattering or absorbing light. With certain beer beverages, however, a separating device may not be necessary.
  • the separation device or the filtration module preferably comprises a filter unit, a filtrate container, an optional cooling system and pumps for conveying fluid.
  • the filter is backwashed after each measurement.
  • a backwashable filter is therefore preferably used.
  • filtration should initially be interpreted broadly, because it includes the use of a separation device, preferably a filter device.
  • a separation device preferably a filter device.
  • solid particles and suspended matter are removed by centrifugation, preferably decantation centrifugation. Either a clear filtrate or centrifugate is obtained by this treatment.
  • This sample preparation is necessary because gas bubbles or particles would interfere with later analysis, for example in GC-IMS or UV/VIS spectroscopy. Gas bubbles must also no longer form in the event of a pressure drop. A head of foam, in turn, could impede the phase transition during gas-phase extraction.
  • Filters are preferably used for the filtration which have a pore size of 1-3 ⁇ m.
  • the filter preferably has a structure that makes it possible to filter out particles with a diameter of >2 ⁇ m from the beer sample.
  • the beer sample is first transported into the degassing module by the admission pressure with minimal foam formation and the vessel is then depressurized.
  • the beer sample is preferably degassed by constant stirring so that it can leave the degassing module free of gas and foam.
  • the degassing module preferably comprises a degassing container and preferably an agitator arranged therein for carrying out the degassing. Degassing preferably takes place at atmospheric pressure.
  • a foamless filling is preferably carried out by filling the container with counter pressure.
  • filling is also possible via a shut-off pump or by means of a control valve and a calming section to prevent foam.
  • a container with a spray ball for cleaning is preferably provided.
  • the degassing module comprises measuring devices for a defined filling of the container. valves take over a release of the excess pressure.
  • back pressure control can be carried out with gradual expansion to atmospheric pressure in order to further reduce foaming.
  • the sample is transferred in one embodiment to a filtration device or a filter to remove suspended matter.
  • degassing is possible by ultrasonic treatment or directly by centrifugation.
  • the centrifuge represents the degassing module, since degassing takes place during centrifugation.
  • the centrifuge is preferably a vertical decanter centrifuge.
  • the beer sample taken is preferably conducted via a feed pipe into a separating chamber of the centrifuge drum and accelerated there.
  • speeds between 600 and 4000, preferably between 600 and 1200 RCF can be used.
  • the non-liquid suspended matter or solids settle on the drum wall during centrifugation. Higher speeds can lead to the pellets no longer detaching themselves from the drum wall, which is undesirable.
  • centrifugation speed of about 800 RCF and a centrifugation time of at least 240 seconds have proven particularly advantageous.
  • the centrifugal decantation and thus sedimentation takes place due to a difference in density of the individual phases of the beer suspension, which separates as a result of centrifugal force.
  • the density of solids is usually higher, so that these flatten out radially along the rotating drum shell.
  • the lighter liquid phase on the other hand, is concentrated in the center towards the axis of rotation of the drum.
  • a solids separator is preferably provided for an automated inline process.
  • a screw conveyor can also be used, which rotates at a slightly higher speed (differential speed) than the drum, in order to convey the settled solids to the conical narrowing of the drum. The solids are thrown out of the drum through the top opening and discharged downwards.
  • the length of time the solids remain in the drum can be adjusted accordingly.
  • the liquid part flows along the screw winding to the cylindrical end of the drum and runs off there via a transverse disc. Then it is caught in an outer housing and discharged.
  • the filtrate or centrifugate of the beer sample is passed into a sample conversion module.
  • This consists of one or more sample containers, into each of which a defined sample volume of the filtered or centrifuged beer sample is introduced. The basis for this is a so-called head-space analysis, i.e. a sampling of the gas phase in the head area of the container for later measurement.
  • Each sample container receives a defined volume of the beer sample. At the same time, heat is supplied during the incubation. By tempering the sample container, part of the liquid sample is transferred from the liquid phase to the gas phase. The thermal treatment also converts VDK precursors, for example 2-acetolactate to diacetyl (butane-2,3-dione) or 2-acetohydroxybutyrate to pentane-2,3-dione. An equilibrium is formed between the liquid phase and the gas phase.
  • the heating in the sample container preferably takes place at a temperature of approximately 60.degree. C., alternatively also at a temperature between 60.degree. C. and 90.degree. C., preferably at approximately 80.degree. The heating of the beer samples in the sample container or the sample containers takes place until the precursors of the aroma components have been almost completely converted into the aroma components.
  • a representative amount of gas is taken from the sample container as a gas sample and analyzed.
  • the volume of the beer sample introduced into a sample container should preferably be precisely adjustable so that representative and reproducible measurement samples from the gas phase are available.
  • the sample containers are preferably made of stainless steel. In alternative variants, containers made of glass or plastic can also be used. Hydrophobic surfaces are preferred. Connections for fluid lines and lines for cleaning are provided on each container. There are also safety devices, for example to prevent liquid from entering the gas line or to avoid excess pressure. CIP ("Cleaning In Place")-capable containers and an automatic sample supply are also part of a preferred embodiment.
  • Each vessel includes a heater to achieve the desired transition temperature of, for example, 60°C or 80°C.
  • a preferred variant additionally provides for the beer sample to be shaken or shaken in the sample containers.
  • the purpose of shaking the sample is to aid in the conversion of the precursors and in achieving equilibrium in the headspace of the container.
  • the surface area at the phase boundary is increased, which supports diffusion across the phase boundary.
  • the sample conversion module also comprises an agitator which agitates the samples at frequencies preferably between >0 Hz and 20 Hz.
  • the agitator preferably comprises an electric motor with reversing direction, which drives a turntable bearing.
  • linear drives are also conceivable, which are controlled at a high frequency.
  • a circular path movement with the help of several linear drives and suitable controls is also possible.
  • shaking baths, laboratory agitators or ultrasonic baths can also be used.
  • a measurement gas is taken from the head space of the sample container from the head space of the sample container, which gas is then supplied to a measuring device.
  • the sample gas is sent to a GC column via a sample loop.
  • a carrier gas preferably nitrogen or synthetic air, is used to transport the measurement gas.
  • pressure initially builds up due to conditioning in the sample container.
  • the pressure in the direction of the sample loop can be reduced by a valve.
  • pumps or auto-samplers can also be used to transport gas samples.
  • the measurement gas is sucked out of the head space, for example with a syringe or by applying a vacuum.
  • a fluid ie a gas or a liquid
  • a fluid is introduced into the sample container to increase the pressure in the head space of the sample container, so that an overpressure is created in the head space.
  • the liquid level in the container is raised, as a result of which the gas pressure in the headspace increases.
  • the analysis typically takes 15 minutes, so six samples can be measured in 90 minutes with one measuring device. With a large number of measuring devices, the number of turnovers is of course correspondingly increased by the multipliers.
  • Gas lines are provided for gas transport in order to conduct the measurement gas from the head space of the sample container to the measurement device, preferably GC-IMS.
  • the gas lines are also suitable for blowing out or blowing dry empty sample containers and for overpressure protection.
  • the measuring gas is separated by gas chromatography and in a second process step it is subjected to ion mobility spectroscopy (GC-IMS).
  • GC-IMS ion mobility spectroscopy
  • the amount of total diacetyl is determined, i.e. the sum of free diacetyl and ⁇ -acetolactate.
  • the desired degree of maturation of the beer or the end point of the fermentation is reached when the measured aroma components from the sample of the sample conversion module are below a desired threshold value.
  • the exact guide value depends on the respective beer type.
  • the level of total diacetyl plus precursors (acetohydroxy acids) should not be more than 0.10 ppm. Of these, ⁇ 0.05 ppm are attributable to butane-2,3-dione and ⁇ 0.02 ppm to pentane-2,3-dione.
  • the interval and/or the number of measurements are preferably made depending on the presence and/or the quantity of the components examined.
  • factors such as the course of fermentation, type of beer and/or reaching a defined threshold value are also included in the measurement intervals and number.
  • PCA Principal Component Analysis
  • key substances or marker compounds can be determined quickly, efficiently and fully automatically in real time, both qualitatively and quantitatively, in order to draw conclusions about the fermentation success and the degree of maturation of the respective batch. This means that faulty batches can be identified in real time without any delays.
  • the end points of the fermentation or the degree of maturity can be determined very precisely for each individual batch in order to precisely record and ensure the quality of the beer.
  • the method according to the invention also makes it possible to replace the complex laboratory analysis and to shift it into the process. Alternatively, it is also possible to take and measure random samples for an existing laboratory analysis as a manual sample.
  • the invention also includes a system for automated quality monitoring of the fermentation process and/or for determining the end point of the fermentation during the beer brewing process in the production of beer by determining one or more aroma components or other ingredients of the beer, comprising a) a sampling device for the automated removal of a beer sample from one or more fermentation tanks of a brewing plant, b) a separation device, comprising a filter or a centrifuge, for degassing and/or removing non-liquid suspended matter in the beer sample, c) a sample conversion module, consisting of one or more heatable sample containers, for converting precursors of the aroma components into the aroma components or ingredients, d) a measuring device for determining the aroma components or ingredients contained in the gas phase of the headspace of a sample container.
  • a sampling device for the automated removal of a beer sample from one or more fermentation tanks of a brewing plant
  • a separation device comprising a filter or a centrifuge, for degassing and/or removing non-liquid suspended matter in the beer sample
  • the system's separation device can perform two tasks. If the liquid is largely clear, there is no need to remove solids. In this case, for example, degassing would take place via centrifugation. However, if the beer sample is very cloudy and thus has a high concentration of suspended matter, it is necessary to clarify the beer sample by removing non-liquid suspended matter, ie solids, from it will. It is preferably provided here that a degassing module for degassing the beer sample taken from the fermentation tank(s) is carried out before the separation device. Only then does the degassed beer sample reach the separation device, ie the filtration device or centrifuge.
  • process media valves are provided for sampling, which are switched in particular to provide fresh water, process water or steam for sterilization and for the supply of CIP media. Furthermore, in a preferred variant, there is also the possibility for a manual test or for calibration.
  • the filter of the filtration module can preferably be backwashed after each measurement.
  • a UV/VIS module is also provided for a spectroscopic, multivariate evaluation of the constituents of the beer. This enables a spectroscopic measurement of the filtered and degassed beer. Multivariate data analysis can also be performed to determine the amount of higher alcohols, amino acids, sugars, esters, or other compounds. Usually, however, the VDK load should be ⁇ 500 ppb so that the UV/VIS produces suitable signatures.
  • the course of the fermentation can be detected using multivariate statistics and a so-called "golden batch" can be determined for each batch. Furthermore, deviations from this mean value can also be used to identify faulty batches. Ultimately, this shortens production times and increases quality.
  • the UV/VIS also enables the CIP processes to be monitored, particularly with regard to the composition of the cleaning media, but also with regard to the cleanliness of water, alkalis and acids. This allows the CIP process control to be optimized, the use of water and chemicals to be reduced and ultimately cleaning to be optimised.
  • the UV/VIS module consists of a spectrometer with measuring cells plus the necessary equipment for data processing, software and electronics. It also includes fluid technology for measuring and controlling fluid flows. Instead of a UV/VIS, sensors could also be used, for example to carry out pH measurements, density measurements or measurements of the electrical conductivity.
  • the sampling module is assembled as described above and includes one or more sample containers, which are preferably shaken by an agitator and heated by a heating device.
  • the system according to the invention also includes the control technology and software for managing and controlling valves, pumps and sensors.
  • the control technology monitors and starts the mud processes when the starting conditions are met. Furthermore, problems in the components to be controlled can also be uncovered in order to trigger corresponding alarms.
  • the entire fermentation process can be controlled and monitored, in particular the times of sampling, measurement and stopping of the fermentation process depending on the type of beer to be measured.
  • the method according to the invention makes it possible for the measurement results to be used to specifically influence the brewing process, in particular when parameters fall below or exceed a specified threshold value.
  • Fig. 1 shows a scheme of the method and system for automated monitoring of the fermentation success and the degree of maturation of beer during the beer brewing process.
  • Figure 2 shows the course of total diacetyl during fermentation.
  • Figure 3 shows a principal component analysis of three different fermentation samples.
  • a tank farm consisting of several fermentation tanks can be seen at the top left. Beer samples can be taken from individual or multiple containers at specific, predetermined times. Alcoholic fermentation takes place in the fermentation tanks for several days. By breaking down sugar through the yeasts produces alcohol and carbon dioxide. During this process, the preliminary stages of the VDK also arise. The VDK are converted into less flavorful molecules towards the end of the fermentation process. The aim is that the beer only stays in the containers for as long as necessary in order to achieve a higher throughput in beer production.
  • sample is routed from the tanks to the degassing and filtration module via process media valves.
  • Sampling valves and sampling lines are provided on each fermentation vessel. These ultimately flow into a leak-proof three/two-way valve through which the media can be fed into the system.
  • the process media valves can supply the entire structure of the system or, alternatively, each module can have its own process media valves.
  • the sample taken from the tank farm is finally fed to the degassing and filtration module. There, degassing first takes place, i.e. the beer sample is transported into the degassing module by pre-pressure with minimal foam formation and the vessel is then relaxed.
  • the degassing container preferably contains a spray ball for cleaning and an agitator for degassing. Furthermore, measuring devices are also provided for the defined filling of the container. A valve prevents excess pressure. In a preferred variant, back pressure control with gradual expansion to atmospheric pressure is possible with the aim of reducing foam formation.
  • the degassing module enables low-foam filling.
  • a filtration module is provided for further removal of the suspended matter, i.e. a filter device with which it is possible to remove particles larger than 2 ⁇ m. The filtration is necessary to get a clear and reproducible filtrate for later measurement. It is also essential that there is no cross-contamination between samples. The filter can be backwashed after each measurement.
  • the degassed and filtered sample can now be fed into a UV/VIS module for spectroscopic analysis.
  • the sample goes directly to the sample conversion module.
  • the sample is divided equally between the individual sample containers.
  • the sample containers are heated to a specific temperature between preferably 50°C and 90°C, preferably to a temperature of about 60°C or about 80°C, for a specific period of time.
  • the samples are uniformly shaken simultaneously by an agitator. Frequencies between >0 Hz - 20 Hz are provided here.
  • the shaking of the sample supports the conversion of the precursors of the VDK and the achievement of the state of equilibrium in the head space of the sample container.
  • Some of the samples can also be routed via a valve to a gully, into which discarded media, such as CIP or rinsing media, are also discharged.
  • the sample conversion module also includes a temperature control chamber and devices for supplying air. Measuring gas is taken from the head space of the sample container and fed to a measuring device.
  • the variant shown is a module for measuring diacetyl.
  • the GC-IMS is used.
  • the measuring module consists of electrical pressure regulators (EPC 1, EPC 2), a GC column for the first separation and an ion mobility spectrometer (IMS) for the second separation.
  • EPC 1, EPC 2 electrical pressure regulators
  • IMS ion mobility spectrometer
  • a pump, sample loops and fluid lines as well as suitable valves and control components ensure automated measurement of the aroma components, in the case shown the determination of diacetyl.
  • a module for direct diacetyl measurement is used as the measuring device.
  • the invention is not limited to the determination of vicinal diketones, but also works for the qualitative and quantitative determination of other aroma components, i.e. green beer bouquet substances or bouquet substances.
  • the sample gas from the sample conversion module is driven by a carrier gas to load the GC column.
  • a carrier gas to load the GC column.
  • This is located in a temperature control chamber.
  • the molecules in the column separate and emerge from the column as different batches.
  • the separation performance as well as the exit time can be controlled via the column type, the column length and the temperature.
  • the entering molecules are ionized and pulled through the carrier gas by an electric field.
  • a pump flushes the sample loop with air and the EPCs, the GC column and the IMS with carrier gas.
  • the pump is switched off during sample delivery.
  • the EPC 1 pressure regulator allows the carrier gas (N 2 ) to flow through the IMS.
  • the GC column is flushed via the EPC 2 pressure regulator.
  • the sample is fed into the sample loop via the fluid line. If the sample is filled with a representative sample, the 6-port valve is switched and the sample is fed to the GC column. After sampling is complete, the valve switches back and the sample loop is again flushed with air using the pump.
  • FIG. 2 shows an evaluation of a beer sample according to the invention based on a determination of total diacetyl in order to determine the endpoint of the fermentation.
  • the peak is at a fermentation time of about 90 hours. Thereafter, the amount of total diacetyl decreases. After about 220 hours, the curve flattens out, ie the decrease is slower.
  • the threshold level of diacetyl is typically around 5 ppb. For dark beers, a threshold of between 40 and 60 ppb is sufficient, since the human sensory system could not detect the taste at even lower values.
  • the maturation process is complete and the beer can be removed from the tank farm for bottling.
  • the sample conversion in the sample conversion module, the associated increase in temperature and the optional shaking of the sample ensure that no further VDK can form in significant quantities.
  • the beer gets its desired quality and is filled into the finished beer neither too early nor too late.
  • PC Principal Component Analysis
  • Principal component analysis is a multivariate statistical method. It is used to structure, simplify and illustrate extensive data sets by approximating a large number of statistical variables with a smaller number of linear combinations that are as meaningful as possible.
  • Fermentation sample 1 shows the course of diacetyl of an ideal sample.
  • fermentation samples 2 and 3 show a different course, so that it can be concluded that the end point of the fermentation has already been exceeded (fermentation 2) or has not yet been reached (fermentation 3).
  • fermentation 2 shows the course of diacetyl of an ideal sample.
  • fermentation samples 2 and 3 show a different course, so that it can be concluded that the end point of the fermentation has already been exceeded (fermentation 2) or has not yet been reached (fermentation 3).
  • fermentation 2 and 3 show a different course
  • the sample was analyzed by sample preparation, ie for this purpose the sample was taken from a fermentation container and first degassed in a degassing module. Subsequently, non-liquid suspended matter was removed via a backwashable filter and the filtrate thus obtained was fed to a sample container. here the sample was incubated for about 90 minutes at a temperature of 60° C. The measuring gas was then removed from the headspace of the sample container and fed to a GC-IMS measuring device in order to determine the total acetyl content. Thus the result of Fig. 3 was obtained.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier durch Bestimmung von einer oder mehreren Aromakomponenten oder anderen Inhaltsstoffen des Bieres, umfassend die Schritte: a) automatisiertes Entnehmen einer Bierprobe aus einem oder mehreren Fermentationsbehältern, b) Bedarfsweises Entgasen und Filtrieren, oder Zentrifugieren der Bierprobe zur Entfernung von nicht-flüssigen Schwebstoffen, c) Einleiten des Filtrats oder des Zentrifugats der Bierprobe in ein Probenumwandlungsmodul, das aus einem oder mehreren Probenbehältern besteht, in denen jeweils ein definiertes Probenvolumen der bedarfsweisen filtrierten oder zentrifugierten Bierprobe eingeleitet wird, bei dem ein ausreichendes Kopfraumvolumen noch vorhanden ist, d) Erwärmen der Proben in dem Probenbehälter oder den Probenbehältern zur Umwandlung von Vorstufen der Aromakomponenten in die Aromakomponenten oder von Inhaltsstoffen, wobei die Erwärmung solange erfolgt, bis die Vorstufen der Aromakomponenten nahezu vollständig in die Aromakomponenten umgewandelt worden sind, e) Entnehmen von Messgas aus dem Kopfraum von dem Probenbehälter oder von einem der Probenbehälter und Überführen des Messgases in eine Messeinrichtung zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der einen oder mehrerer Komponenten des Bieres. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Verfahren und Anlage zur Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses bei Bier
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier durch Bestimmung von einer oder mehreren Aromakomponenten oder anderen Inhaltsstoffen des Bieres.
STAND DER TECHNIK
Der Brauprozess zur Herstellung von Bier basiert auf einer Fermentation, bei der einige Stoffwechselprozesse ablaufen, die zur Bildung von unterschiedlichen chemischen Verbindungen und Nebenprodukten führen. Während der alkoholischen Gärung entsteht, bedingt durch den Stoffwechsel der für die Fermentation eingesetzten Bierhefen, eine Vielzahl von Nebenprodukten, die das Aroma, den Geschmack und damit auch die Qualität eines Bieres wesentlich beeinflussen. Zu solchen Nebenprodukten gehören unter anderem vicinale Diketone (VDK), höhere Alkohole, Ester, organische Säuren, Schwefelverbindungen, Phenole, Carbonyle und Hopfenöle. Ein Bier ist somit ein höchst komplexes Multikomponentengemisch mit einer Vielzahl von Aromaverbindungen, deren Vorliegen und Konzentration letztendlich auf den komplexen Hefestoffwechsel zurückzuführen sind. Grob unterscheidet man Bukettstoffe, zu denen höhere Alkohole, Ester und organische Säuren gehören. Sie bestimmen wesentlich das Aroma des Bieres. Daneben gibt es noch sogenannte Jungbier-Bukettstoffe, zu denen Aldehyde, vicinale Diketone und Schwefelverbindungen gehören. Sie verleihen dem Bier bei Vorhandensein einen unreifen, unharmonischen Geschmack oder Geruch und beeinflussen in höheren Konzentrationen die Bierqualität negativ. Ziel der Gärung und des Bierreifungsprozesses ist es, die Konzentration der Jungbier-Bukettstoffe im Bier soweit wie möglich zu verringern und die Bukettstoffe in den gewünschten Konzentrationsbereichen anzureichern.
Bislang ist eine gezielte Steuerung aller für das Bieraroma verantwortlichen Substanzen im Gär- und Reifungsprozess unmöglich.
Daher wird zur Ermittlung des Gärerfolges und des Reifungsgrades von Bier auf Leitsubstanzen zurückgegriffen, die mit der sensorischen Qualität des Bieres korrelieren. Zu diesen Leitsubstanzen gehören die vicinalen Diketone, die dem Bier beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes einen unreinen, süßlichen und bei höherer Konzentration sogar widerlichen Geschmack verleihen. Zu den wichtigsten Aromakomponenten der vicinalen Diketone gehören Diacetyl (Butan-2,3-dion), Pentan-2,3-dion. Im Bierbrau-Prozess produzieren Bierhefen aus dem Stoffwechsel-Zwischenprodukt Acetolactat Diacetyl, das sie weiter zu 2,3-Butandiol reduzieren. Während der Gärung sind die Konzentrationen an freiem Diacetyl in der Regel gering und a-Acetolactat macht den Großteil des vorhandenen "Gesamt-Diacetyls" aus. Daher werden die Diacetyl-Konzentrationen bei der Analyse häufig als "Gesamt-Diacetyl"-Konzentrationen, d. h. als Summe des freien Diacetyls und des a-Acetolactats ("potenzielles Diacetyl" oder "Diacetyl- Vorstufe") ausgedrückt, um potenzielle Diacetyl-Konzentrationen hervorzuheben.
Das Aroma von Diacetyl wird häufig als buttrig, süß und hin und wieder auch als karamellig beschrieben. Der Gehalt an vicinalen Diketonen im Fertigbier (d.h. in abgefüllten Flaschen oder Fässern) ist somit ein wesentliches Kriterium für den Reifungsgrad und damit für die Qualität des Bieres. Diacetyl hat einen Geschmacks-Schwellenwert von etwa 0,1 bis 0,15 Milligramm pro Liter, 2,3-Pentandion einen etwa 10-fach höheren.
Die Überwachung von vicinalen Diketonen als Leitsubstanzen und anderen Aromakomponenten ist daher ein wichtiger Bestandteil während des Gärprozesses. Vorzugsweise liegt der Schwellenwert zwischen 3 und 100 ppb (parts per billion), wobei auch Zwischenbereiche und Zwischenwerte von der Erfindung umfasst sind. Bei leichten Lagerbieren liegt der Schwellenwert von Diacetyl in der Regel zwischen 5 und 20 ppb. Bei dunklen Bieren reicht häufig wegen der menschlichen sensorische Schwelle ein höherer Schwellenwert zwischen 40 und 100 ppb, bevorzugt zwischen 60 und 80 ppb.
Die Wahrnehmung von Diacetyl in Bier ist bei Menschen recht unterschiedlich und sensorische Unterschiede sind häufig genetisch bedingt. Eine Vielzahl von Menschen ist jedoch geschmackssensitiv und bemerkt Geschmacksveränderungen durch höhere Konzentrationen von vicinalen Diketonen im Fertigbier.
Die vicinalen Diketone werden von der Hefe in ihrem Stoffwechsel nicht selbst gebildet, sondern lediglich ihre Vorstufen. Bei den Vorstufen handelt es sich um Aceto hydroxysäuren, die in das Bier während des Fermentationsprozesses abgegeben werden. Die Vorstufen der vicinalen Diketone sind geschmacks- und geruchslos und können somit lediglich über empfindliche gaschromatische Verfahren bestimmt werden. Die Vorstufe von Diacetyl (Butan-2,3-dion, 2,3-Butandion) ist 2- Acetolactat, die Vorstufe von Pentan-2,3-dion (2,3-Pentandion) ist 2-Acetohydroxybutyrat.
Während des Fermentationsprozesses nehmen die Konzentrationen der Vorläufer der vicinalen Diketone zu, wobei deren Peak, je nach Biersorte, in der Regel zwischen 20 und 50% der Fermentationszeit erreicht ist. Danach werden die Vorstufen in die vicinalen Diketone umgewandelt, deren Konzentration am Ende der Fermentation wiederum am höchsten ist. Während des sich anschließenden Reifungsprozesses des Bieres während der Tanklagerung sinken die VDK-Spiegel wieder, da die Hefe die VDK als Energiequelle nutzt. Wird die Hefe während des Reifungsprozesses zu früh entfernt oder der Prozess abgestoppt, können VDK später im Fertigbier auftreten und dort für die nicht erwünschten Geschmackseinbußen sorgen.
Aus diesem Grund überwachen die Brauer die VDK-Spiegel im Rahmen des Bierreifungsprozesses. Bei traditionellem Lagerbier ist ein möglichst geringer VDK-Wert wünschenswert. Deshalb wird das Bier mehrere Wochen im Anschluss an die Fermentation gelagert, damit die Hefe ausreichend Zeit hat, die noch vorhandenen VDK zu verstoffwechseln.
Bislang versuchte man, die VDK-Spiegel durch eine gezielte Auswahl der Fermentationsparameter zu kontrollieren und damit die Menge der während der Gärung gebildeten Acetohydroxysäuren. Zu diesen Parametern gehören die Auswahl des Hefestammes bzw. der Hefemutanten, die Konzentration der Hefe während der Fermentation, der Eintrag von Sauerstoff, die Würzzusammensetzung und schließlich auch die Gärtemperatur und der Druck.
Daneben gibt es Verfahren, bei denen die Temperatur während des Fermentationsprozesses gemessen wird, um anhand der Temperaturänderungen abschätzen zu können, wann die Vorstufen der VDK zu VDK umgewandelt werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr ungenau, da nicht bestimmt werden kann, wann die Hefe die restlichen VDK metabolisiert hat.
Über chemisch-physikalische Methoden ist es möglich, Aromakomponenten und andere Inhaltsstoffe über deren Signaturen nachzuweisen. Zur Bestimmung der Inhaltstoffe werden Methoden angewendet, zu denen z.B. die lonenmobilitätsspektrometrie (IMS) mit einer vorgelagerten Gaschromatographie (GC)-Säule (GC-IMS) oder die Gaschromatographie mit Elektroneneinfangdetektor (GC-ECD) gehört. Dabei handelt es sich allerdings um labortechnische Methoden, die sehr aufwändig und kostenintensiv ist. Denn es werden lediglich Stichproben entnommen, die in ein Labor geschickt werden müssen, um dort analysiert zu werden. Nicht jede Brauerei hat ein eigenes Labor. Oftmals ist jedoch ein Labor für mehrere Brauereien zuständig. Bis das Ergebnis vorliegt, können mitunter mehrere Tage vergehen. In dieser Zeit müssen die Fermentationsbehälter weiter gekühlt werden, was mit hohen Kosten und Kapazitätsproblemen verbunden ist. Häufig ist zudem der Zeitpunkt für die Reifung des Bieres bereits überschritten und die Qualität des Bieres nicht mehr optimal. Eine solche zeitversetzte Messung zur Bestimmung von VDK im Labor ist somit sehr problematisch, da beispielsweise bei Fehlchargen keine Eingriffsmöglichkeiten bestehen. Ferner unterlaufen Fehler bei der Probennahme (z.B. durch Oxidation), beim Probentransport (z.B. Oxidation, Dauer, Temperatur) oder bei der Probenvorbereitung (Entgasung und Filtration). Schließlich wird üblicherweise der gesamte Fermentationsprozess, welcher mehr als 10 Tage andauern kann, mit lediglich ein bis zwei Messungen überwacht, was zu sehr langen Standzeiten der Biere in den einzelnen Tanks führt. Dies hat wiederum enorme Kapazitätsprobleme bei den Brauereien zur Folge.
Die WO 2017/218039 A1 beschreibt ein In-Line-Verfahren zum Nachweis von chemischen Verbindungen in Bier. Die chemische Verbindung wird bei diesem Verfahren mittels einer Infrarot (IR)-Zelle mittels IR-Spektroskopie gemessen. Bei der chemischen Verbindung kann es sich um ein vizinales Diketon handeln. Bei der IR-Zelle kann es sich um eine IR-ATR-Zelle handeln, bei der beispielsweise RAMAN-Spektroskopie, Gaselektrodenanalyse, Headspace-Analyse durch Gaschromatographie oder eine elektrochemische Detektion erfolgen kann. Die Bierprobe wird über eine Pumpe einer Heizeinrichtung zugeführt, um dann IR-ATR-Daten zu erhalten. Basierend auf den errechneten Diacetyl-Verbindungskonzentrationen können dann die Fermentationsparameter angepasst werden. Allerdings muss bei dem Verfahren eine IR-Spektroskopie durchgeführt werden, die entsprechend aufwändig und fehleranfällig ist. Auch ist der Gärerfolg letztlich nicht zuverlässig und damit der Reifungsgrad von Bier während des Brauprozesses.
Zusammengefasst existiert bislang kein zuverlässiges Verfahren, um den Gärerfolg und damit den Reifungsgrad von Bier während des Bierbrauprozesses vollständig in einem Online-Prozess zu überwachen.
Um den Reifungsprozess nicht mehr "blind" zu fahren, ist es daher für Brauereien wünschenswert, auf ein Verfahren oder ein System zurückzugreifen, das eine vollautomatisierte Qualitätskontrolle für das Bier und damit des Reifungsgrades von Bier ermöglicht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur automatisierten Überwachung des Gärerfolges und des Reifungsgrades von Bier während des Bierbrauprozesses bereitzustellen, mit dem es möglich ist, während des Prozesses (Online- Prozess) Komponenten des Bieres, insbesondere Aromakomponenten des Bieres zu bestimmen, ohne dass eine manuelle Probenentnahme erfolgen muss.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Bevorzugte Ausführungsvarianten finden sich in den Unteransprüchen wieder.
Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Probenvorbereitung zu sehen, die wesentlich Einfluss auf das Messergebnis und damit auf die Auswertung hat. Eine solche Probenaufbereitung besteht erfindungsgemäß aus dem Entgasen einer entnommenen Bierprobe, um nicht flüssige Schwebstoffe zu entfernen. Dafür kann ein Entgasungsmodul vorgesehen sein, mit anschließender Filtrationseinrichtung zur Entfernung von Schwebstoffen (z.B. Hefen, Zellresten) aus der Bierprobe. Alternativ erfolgt eine Entgasung während der Zentrifugation. Anschließend werden das Filtrat bzw. das Zentrifugat in ein Probenumwandlungsmodul eingeleitet und die Proben erwärmt, bis eine vollständige Umwandlung der Vorstufen von Aromakomponenten in die eigentlichen Aromakomponenten erfolgt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ausgelegt zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier und basiert auf einer automatisierten Bestimmung von Komponenten des Bieres, vorzugsweise Aromakomponenten des Bieres, insbesondere von vicinalen Diketonen (VDK), aber auch anderen Inhaltsstoffen wie Aldehyden, Schwefelverbindungen oder organischen Verbindungen. Ziel ist es, eine Inline-Kontrolle der Bierqualität im Prozess zu erhalten, um so den Fermentations- und Reifungsprozess bei der Herstellung von Bier zu optimieren. Die erforderlichen Lagerzeiten können damit für jede Biersorte exakt ermittelt werden. Auch ist es möglich, eine Fehlcharge unmittelbar aufzuspüren. Durch die Automatisierung der Qualitätskontrolle können Prozessschritte unmittelbar umgesetzt werden, da der Endpunkt der Fermentation genau bestimmt werden kann. Bislang musste man die Laborergebnisse abwarten, bis die Konzentrationen der Aromastoffe Vorlagen. Häufig dauert das bis zu 24 Stunden, denn viele Großbrauereien messen täglich mehrfach die Werte der Aromastoffe von Diacetyl und 2,3-Pentandion, um den perfekten Wert für das Ende der Fermentation im sogenannten „Cold Block“ zu bestimmen. Analysiert werden die Werte bislang im Labor mit einem Gas-Chromatograh (GC) und einem ECD-Detektor. Da meist nur einmal pro Tag gemessen wird, kann man nur sehr ungenau sagen, wann welcher Tank „reif“ ist zur Abfüllung. Außerdem ist dieses Verfahren sehr zeitaufwändig und personalintensiv.
Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen kann zu bestimmten Zeitpunkten, beispielsweise alle 20 Minuten, automatisch messen, und ermittelt die gewünschten Werte bei einer tiefen Nachweisgrenze von Diacetyl und 2,3-Pentandion von 1 ppb (parts per billion). Ist der Gehalt an VDK zu hoch und somit die gewünschte Bierqualität noch nicht erreicht, kann der Reifeprozess verlängert werden. Umgekehrt kann der Reifeprozess abgestoppt werden, wenn die gewünschte Bierqualität erreicht ist. Somit erfolgt die Bestimmung des Endpunktes der Fermentation bzw. des Reifungsprozesses im Rahmen des erfindungsgemäßen Inline-Bestimmungsverfahrens innerhalb kürzester Zeit. Das Verfahren ermöglicht somit eine automatisierte Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder eine Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung. Die Verfolgung des Fermentationsverlaufs und des Reifungsprozesses zur Bestimmung des Reifungsgrades des Bieres ist problemlos möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert u.a. auf der Bestimmung von einer oder mehreren Aromakomponenten des Bieres, insbesondere von vicinalen Diketonen, wie Diacetyl (Butan-2,3- dion) oder Pentan-2,3-dion, oder anderen Inhaltstoffen, die für das jeweilige Bier charakteristisch sind. Hierfür ist erfindungsgemäß vor der Messung eine Probenaufbereitung notwendig, um überhaupt in der Lage zu sein, zuverlässige Messergebnisse während des Fermentationsprozesses zu erhalten. Zur Probenaufbereitung gehört u.a. das Entgasen der aus dem Fermentationsbehälter entnommenen Bierprobe, ggf. das Entfernen von Schwebstoffen, das Umwandeln von Inhaltsstoffen in den Probenbehältern und die Entnahme von Messgas aus den Probenbehälter, um dieses dann einer Messeinrichtung zuzuführen.
Die Bestimmung der Konzentration der VDK ist insbesondere notwendig, um den Endpunkt der Fermentation zu ermitteln. Die weiteren oder anderen Komponenten oder Inhaltsstoffe des Bieres können mit der Messeinrichtung analysiert werden, um einen Eindruck über den Fermentationsverlauf und/oder die Qualität des Bieres zu erhalten. Vorzugsweise erfolgt dies durch die spektroskopische Analyse einer oder mehrerer Inhaltsstoffe des Bieres und einer anschließenden Hauptkomponentenanalyse.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier durch Bestimmung von einer oder mehreren Aromakomponenten oder anderen Inhaltsstoffen eines Bieres, umfasst in einer bevorzugten Variante die Schritte: a) automatisiertes Entnehmen einer Bierprobe aus einem oder mehreren Fermentationsbehältern, b) Bedarfsweises Entgasen und Filtrieren, oder Zentrifugieren der Bierprobe zur Entfernung von nicht-flüssigen Schwebstoffen, c) Einleiten des Filtrats oder des Zentrifugats der Bierprobe in ein Probenumwandlungsmodul, das aus einem oder mehreren Probenbehältern besteht, in denen jeweils ein definiertes Probenvolumen der bedarfsweisen filtrierten oder zentrifugierten Bierprobe eingeleitet wird, bei dem ein ausreichendes Kopfraumvolumen noch vorhanden ist, d) Erwärmen der Proben in dem Probenbehälter oder den Probenbehältern zur Umwandlung von Vorstufen der Aromakomponenten in die Aromakomponenten oder von Inhaltsstoffen, wobei die Erwärmung solange erfolgt, bis die Vorstufen der Aromakomponenten nahezu vollständig in die Aromakomponenten umgewandelt worden sind, e) Entnehmen von Messgas aus dem Kopfraum von dem Probenbehälter oder von einem der Probenbehälter und Überführen des Messgases in eine Messeinrichtung zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der einen oder mehrerer Komponenten des Bieres.
Das Filtrieren oder die Zentrifugation erfolgt vorzugsweise in einer Separationseinrichtung. Sofern die entnommene Bierprobe filtriert wird, ist eine Entgasung der Probe für ein optimales Ergebnis erforderlich. Deshalb umfasst das erfindungsgemäße Verfahren nach dem automatisierten Entnehmen der Bierprobe aus dem einen oder mehreren Fermentationsbehältern ein Überführen und Entgasen der aus dem oder den Fermentationsbehältern entnommenen Probe in einem Entgasungsmodul. Erst dann folgt bedarfsweise die Filtration der Bierprobe zur Entfernung von nicht flüssigen Schwebstoffen.
Bei Anwendung einer Zentrifuge, beispielsweise einer vertikalen Dekantierzentrifuge, kann auf das Entgasungsmodul auch verzichtet werden. Hier wird die Bierprobe aus dem oder den Fermentationsbehältern direkt in die Zentrifuge eingeleitet. Nach der Zentrifugation wird das Zentrifugat der Bierprobe in das Probenumwandlungsmodul eingeleitet.
Unter "periodischer Entnahme" versteht man die Entnahme einer Bierprobe aus einem Tanklager zu festgelegten Zeitpunkten oder Intervallen. Automatisiert wird die Entnahme durch die Anwendung und Anordnung von Prozessventilen, die es ermöglichen, bestimmte Proben-Volumina aus den Fermentationsbehältern zu entnehmen.
Schwebstoffe (auch Trübstoffe genannt) sind im Bierbrauprozess bekannt. Dazu gehören z.B. chemische (z. B. Eiweiße) und biologische (z. B. Hefen) Trübstoffe oder sonstige Schwebstoffe.
Die Fermentation findet in großen Brauereien normalerweise in Tanklagern bzw. Gärlagern statt, wobei die alkoholische Gärung mehrere Tage in Anspruch nimmt. Die Menge an Diacetyl im Fermentationsbehälter wird u.a. durch die Fermentationstemperatur, die Fermentationsdauer und den pH-Wert beeinflusst. Da die VDK gegen Ende des Fermentationsprozesses in weniger geschmacksintensive Moleküle umgewandelt werden, soll das Bier nur so lange wie nötig in den Behältern verbleiben, um einen höheren Durchsatz der Bierproduktion zu realisieren und die Qualität des Bierproduktes sicherzustellen. Durch die Tankprobenentnahme im ersten Verfahrensschritt wird automatisch in einem festgelegten Zyklus eine Bierprobe aus dem Fermentationsbehälter bzw. dem Gärtank entnommen und der Gehalt der VDK bestimmt. Dazu werden für die Probenentnahme mehrere Ventile geschaltet, wodurch eine händische Probenentnahme entfällt. Die aus den Tanks entnommene Probe wird in einem optionalen Verfahrensschritt in ein Entgasungsmodul und anschließend in eine optionale Separationseinrichtung, z.B. einen Filter, eine Filtereinrichtung oder eine Zentrifuge überführt. Für die Probennahme sind Probenentnahmeventile am Tank sowie Probenleitungen vorgesehen. Die Separationseinrichtung dient der Entfernung von Schwebstoffen, welche die analytische Auswertung bei der Bestimmung der VDK beeinträchtigen könnten. So können Partikel durch Streuung oder Absorption von Licht die Messung stören. Bei bestimmten Biergetränken kann jedoch eine Separationseinrichtung entbehrlich sein.
Die Separationseinrichtung bzw. das Filtrationsmodul umfasst vorzugsweise eine Filtereinheit, einen Filtrat-Behälter, ein optionales Kühl-System sowie Pumpen zur Fluidförderung. In einer weiteren bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass der Filter nach jeder Messung rückgespült wird. Daher wird vorzugsweise ein rückspülbarer Filter eingesetzt.
Der Begriff "Filtration" soll hierbei zunächst breit ausgelegt werden, denn er umfasst den Einsatz einer Separationseinrichtung, vorzugsweise einer Filtereinrichtung. Alternativ erfolgt die Entfernung von festen Partikeln und Schwebstoffen über eine Zentrifugation, vorzugsweise eine Dekantierzentrifugation. Durch diese Behandlung wird entweder ein klares Filtrat oder Zentrifugat gewonnen. Diese Probenvorbereitung ist notwendig, da Gasblasen oder Partikel eine spätere Analyse, beispielsweise in der GC-IMS oder der UV/VIS-Spektroskopie, stören würden. Auch dürfen bei einem Druckabfall keine Gasblasen mehr entstehen. Eine Schaumkrone wiederum könnte den Phasenübergang bei der Gasphasen-Extraktion behindern. Vorzugsweise werden für die Filtration Filter eingesetzt, die eine Porengröße von 1 - 3 pm aufweisen. Bevorzugt hat der Filter einen Aufbau, der es ermöglicht, damit Partikel mit einem Durchmesser von > 2 pm aus der Bierprobe herauszufiltern.
Für die Entgasung wird die Bierprobe zunächst durch den Vordruck mit minimaler Schaumbildung in das Entgasungsmodul transportiert und das Gefäß anschließend entspannt. Die Bierprobe wird vorzugsweise durch ständiges Rühren entgast, so dass sie das Entgasungsmodul frei von Gas und Schaum verlassen kann. Das Entgasungsmodul umfasst vorzugsweise einen Entgasungsbehälter und vorzugsweise ein darin angeordnetes Rührwerk für die Durchführung der Entgasung. Vorzugsweise erfolgt die Entgasung bei atmosphärischem Druck. Eine schaumlose Befüllung erfolgt vorzugsweise, indem der Behälter mit Gegendruck befüllt wird. Ferner ist ein Befüllen in einer alternativen Ausführungsvariante auch über eine absperrende Pumpe oder mittels eines Regelventils und einer Beruhigungsstrecke zur Schaumverhütung möglich. Vorzugsweise ist ein Behälter mit Sprühkugel zur Reinigung vorgesehen. Das Entgasungsmodul umfasst in einer bevorzugten Variante Messeinrichtungen für eine definierte Befüllung des Behälters. Ventile übernehmen ein Ablassen des Überdruckes. In einer bevorzugten Variante kann eine Gegendruckkontrolle mit allmählichem Entspannen auf atmosphärischen Druck erfolgen, um die Schaumbildung weiter zu reduzieren. Nach der Entgasung wird die Probe in einer Ausführungsvariante einer Filtrationseinrichtung oder einen Filter zur Entfernen von Schwebstoffen überführt.
In einer alternativen Ausführungsform ist eine Entgasung durch Ultraschallbehandlung oder direkt über Zentrifugation möglich. Im Falle einer Zentrifugation stellt die Zentrifuge das Entgasungsmodul dar, denn die Entgasung erfolgt während der Zentrifugation. Bei der Zentrifuge handelt es sich vorzugsweise um eine vertikale Dekantierzentrifuge. Vorzugsweise wird hierbei die entnommene Bierprobe über ein Zulaufrohr in einen Trennraum der Zentrifugentrommel geleitet und dort beschleunigt. Erfindungsgemäß können Drehzahlen zwischen 600 und 4000, bevorzugt zwischen RCF 600 und 1200 RCF zur Anwendung kommen. Die nicht flüssigen Schwebstoffe bzw. Feststoffe setzen sich bei der Zentrifugation an der Trommelwand ab. Höhere Drehzahlen können dazu führen, dass die Pellets sich nicht mehr von der Trommelwand lösen, was unerwünscht ist. Deshalb ist es förderlich, die Drehzahl in dem genannten Bereich zwischen 600 und 1200 RCF zu wählen, wobei mitunter auch die Zeitdauer für die Zentrifugation zu berücksichtigen ist. Die Erfindung umfasst auch Zwischenwerte der oben genannten Bereiche. Eine Drehzahl bei der Zentrifugation von etwa 800 RCF und eine Zentrifugationsdauer von wenigstens 240 Sekunden haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Erfindungsgemäß erfolgt die zentrifugale Dekantierung und damit Sedimentation aufgrund eines Dichteunterschiedes der einzelnen Phasen der Biersuspension, welche sich durch die Zentrifugalkraft trennt. An Feststoffen ist die Dichte in der Regel höher, so dass diese radial entlang des rotierenden Trommelmantels abgeflacht werden. Die leichtere Flüssigphase konzentriert sich hingegen zur Trommeldrehachse im Zentrum. Für einen automatisierten Inline- Prozess ist vorzugsweise ein Feststoffabscheider vorgesehen. Vorzugsweise kann auch eine Förderschnecke zum Einsatz kommen, die sich mit einer geringfügig höheren Drehzahl (Differenzdrehzahl) als die Trommel dreht, um so den sedimentierten Feststoff zur konischen Verengung der Trommel zu fördern. Durch Aufsatzöffnung wird der Feststoff aus der Trommel herausgeschleudert und nach unten ausgetragen. Durch Veränderung der Differenzdrehzahl kann die Aufenthaltsdauer des Feststoffes in der Trommel entsprechend angepasst werden. Der flüssige Teil fließt hingegen entlang der Schneckenwindung zum zylindrischen Trommelende und läuft dort über eine Querscheibe ab. Dann wird sie in einem Außengehäuse aufgefangen und abgeführt. Nachdem die nicht flüssigen Schwebstoffe aus der entgasten und filtrierten Bierprobe entweder durch Filtration oder Zentrifugation entfernt wurden, wird das Filtrat oder Zentrifugat der Bierprobe in ein Probenumwandlungsmodul geleitet. Dieses besteht aus einem oder mehreren Probenbehältern, in die jeweils ein definiertes Probenvolumen der filtrierten oder zentrifugierten Bierprobe eingeleitet wird. Grundlage hierfür ist eine sogenannte Head-Space-Analyse, also eine Entnahme der Gas-Phase im Kopfbereich des Behälters für eine spätere Messung. Jeder Probenbehälter erhält ein definiertes Volumen der Bierprobe. Gleichzeitig erfolgt während der Inkubation eine Wärmezufuhr. Durch die Temperierung der Probenbehälter wird ein Teil der flüssigen Probe von der Flüssigphase in die Gasphase überführt. Durch die thermische Behandlung werden ferner Vorstufen der VDK umgewandelt, also z.B. 2-Acetolactat zu Diacetyl (Butan-2,3-dion) oder 2-Acetohydroxy-Butyrat zu Pentan-2,3-dion. Es bildet sich hierbei ein Gleichgewicht zwischen Flüssigphase und Gasphase aus. Die Erwärmung im Probenbehälter erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 60 °C, alternativ auch bei einer Temperatur zwischen 60 °C und 90 °C, vorzugsweise bei etwa 80 °C. Die Erwärmung der Bierproben im Probenbehälter oder den Probebehältern erfolgt dabei so lange, bis die Vorstufen der Aromakomponenten nahezu vollständig in die Aromakomponenten umgewandelt worden sind.
Nach der gewünschten Equilibrierungszeit wird eine repräsentative Gasmenge als Gas-Probe aus dem Probenbehälter entnommen und analysiert. Das Volumen der in einen Probenbehälter eingeleiteten Bierprobe sollte vorzugsweise exakt einstellbar sein, damit repräsentative und reproduzierbare Messproben aus der Gasphase vorliegen.
Vorzugsweise bestehen die Probenbehälter aus Edelstahl. In alternativen Varianten können auch Behälter aus Glas oder Kunststoff zum Einsatz kommen. Hydrophobe Oberflächen sind bevorzugt. An jedem Behälter sind Anschlüsse für Fluidleitungen sowie Leitungen zur Reinigung vorgesehen. Ferner gibt es noch Sicherungseinrichtungen, um beispielsweise das Eindringen von Flüssigkeit in die Gasleitung zu verhindern oder Überdrücke zu vermeiden. CIP („Cleaning In Place“)-fähige Behälter und eine automatische Probenzufuhr sind ebenfalls Bestandteil einer bevorzugten Ausführungsvariante.
Jeder Behälter umfasst eine Heizeinrichtung, um die gewünschte Umwandlungstemperatur von beispielsweise 60 °C oder 80 °C zur erzielen. Um das Umwandeln der Vorstufen der VDK zu den VDK zu beschleunigen, ist zusätzlich in einer bevorzugten Variante vorgesehen, dass die Bierprobe in den Probenbehältern geschüttelt oder gerüttelt wird. Durch das Schütteln bzw. Rütteln der Probe soll die Umwandlung der Vorläufer und das Erreichen des Gleichgewichtszustands im Kopfraum des Behälters unterstützt werden. Ferner wird die Oberfläche an der Phasengrenze vergrößert, was die Diffusion über die Phasengrenze hinweg unterstützt. Durch das Vermischen wird ferner die Diffusion in der Flüssigkeit gesteigert. Vorzugsweise umfasst daher das Probenumwandlungsmodul auch einen Agitator, der die Proben in Frequenzen von vorzugsweise zwischen >0 Hz und 20 Hz schüttelt. Vorzugsweise umfasst der Agitator einen Elektromotor mit Richtungsumkehr, der eine Drehtellerlagerung antreibt. In alternativen Ausführungsvarianten sind auch Linearantriebe denkbar, die mit hoher Frequenz angesteuert werden. Auch eine Kreisbahn- Bewegung mit Hilfe mehrerer linearer Antriebe und geeigneter Steuerung sind möglich. In alternativen Varianten sind auch Schüttelbäder, Laboragitatoren oder Ultraschall-Bäder einsetzbar.
Im weiteren Verfahrensschritt wird aus dem Head-Space der Probenbehälter ein Messgas aus dem Kopfraum ("Head-Space") des Probenbehälters entnommen, welches dann einer Messeinrichtung zugeführt wird. Konkret wird das Messgas über eine Probenschleife auf eine GC- Säule geschickt. Die Probe soll möglichst immer gleiche Bedingungen aufweisen, unabhängig von den Druckbedingungen im Probenbehälter. Für den Transport des Messgases wird ein Trägergas verwendet, vorzugsweise Stickstoff oder synthetische Luft. Bei der Gasprobenförderung baut sich zunächst Druck durch das Konditionieren im Probenbehälter auf. Durch ein Ventil kann der Druck in Richtung der Probenschleife abgebaut werden. Durch ein Anheben des Flüssigkeitspegels im Probenbehälter wird die Probe in Richtung der Probenschleife gefördert, in welche diese unter atmosphärischem Druck einströmt. Alternativ können zur Gasprobenförderung auch Pumpen eingesetzt werden oder Auto-Sampler. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird das Messgas aus dem Kopfraum abgesaugt, beispielsweise mit einer Spritze oder durch Anlegen eines Vakuums.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird zur Erhöhung des Druckes im Kopfraum des Probenbehälters ein Fluid, also ein Gas oder eine Flüssigkeit, in den Probenbehälter gebracht, so dass ein Überdruck im Kopfraum entsteht. Beim Einleiten von weiterer Probenflüssigkeit in den Probenbehälter wird der Flüssigkeitspegel im Behälter angehoben, wodurch sich der Gasdruck im Kopfraum erhöht.
Im Falle der GC-IMS dauert die Analyse typischerweise 15 Minuten, so dass bei einer Messeinrichtung sechs Proben in 90 Minuten gemessen werden können. Bei einer Vielzahl von Messeinrichtungen wird die Umschlagszahl durch die Multiplikatoren natürlich entsprechend erhöht.
Für den Gastransport sind Gasleitungen vorgesehen, um das Messgas aus dem Kopfraum der Probenbehälter zur Messeinrichtung, vorzugsweise GC-IMS, zu leiten. Die Gasleitungen eignen sich ferner auch zum Ausblasen bzw. zum Trockenblasen von leeren Probenbehältern und für eine Überdruckabsicherung. Das Messgas wird in einem ersten Verfahrensschritt gaschromatographisch getrennt und in einem zweiten Verfahrensschritt einer lonenmobilitätsspektroskopie unterzogen (GC-IMS). Dadurch erhält man eine zweidimensionale Auftrennung, wodurch auch eine Analyse eines komplexen Multikomponentengemisches wie Bier möglich ist. Ein besonderer Vorteil dieser Analysemethode besteht darin, dass es eine vollautomatisierte Handhabung der Proben übernehmen kann, d.h. die Analyse der aus den Probenbehältern entnommenen Messgase zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der vicinalen Diketone bzw. auch anderer Aromakomponenten. Alternativ können auch andere Verfahren für die qualitative und quantitative Bestimmung der Aromakomponenten verwendet werden, beispielsweises UV/VIS, GC-ECD (Gaschromatographie mit Elektroneneinfangdetektor) oder GC-MS (Gaschromatographie mit Massenspektrometer). Bei der GC-IMS hat sich als Trägergas Stickstoff oder ein stickstoffhaltiges Gasgemisch als vorteilhaft herausgestellt. Auch andere Trägergase sind denkbar, wie zum Beispiel Helium.
Vorzugsweise wird die Menge an Gesamt-Diacetly bestimmt, d.h. die Summe des freien Diacetyls und des a-Acetolactats. Der gewünschte Reifungsgrad des Bieres bzw. der Endpunkt der Fermentation ist auf jeden Fall dann erreicht, wenn die gemessenen Aromakomponenten aus der Probe des Probenumwandlungsmoduls unterhalb eines gewünschten Schwellenwertes vorhanden sind. Der genaue Richtwert hängt von dem jeweiligen Biertyp ab. Normalerweise sollte der Gehalt an Gesamt- Diacetyl plus Vorstufen (Acetohydroxysäuren) nicht mehr als 0,10 ppm betragen. Davon entfallen auf Butan-2,3-dion <0,05 ppm und auf Pentan-2,3-dion <0,02 ppm. Bedingt durch die erfindungsgemäße Aufarbeitung der Proben und der automatisierten GC-IMS-Messung ist es möglich, Richtwerte von 1 ppb zu erreichen, d.h. Aromakomponenten, insbesondere vicinale Diketone, mit einem Gehalt von 0,001 ppm. Bisher war eine solche gezielte Überwachung der Prozesse der Gärung und Reifung des Bieres in einem Inline-Prozess nicht möglich.
Vorzugsweise werden das Intervall und/oder die Anzahl der Messungen in Abhängigkeit vom Vorhandensein und/oder der Menge der untersuchten Komponenten vorgenommen. Bei der Bestimmung des Endpunktes fließen ferner noch Faktoren wie Fermentationsverlauf, Biersorte und/oder das Erreichen eines definierten Schwellenwertes in die Messintervalle und -anzahl ein. Hier reicht es zumeist aus, sich bei der Messung auf die vicinalen Diketone zu beschränken, d.h. auf das Gesamt-Diacetyl und das Pentan-2,3-dion.
Zur Qualitätsbestimmung wird wiederum eine Vielzahl von Komponenten analysiert, wobei vorzugsweise die UV/VIS-Spektroskopie zum Einsatz kommt. Als Ergebnis erhält man eine spekroskopische Signatur, die multivariat ausgewertet werden kann, d.h. in Form einer Hauptkomponentenanalyse. Die Hauptkomponentenanalyse (" Principal Component Analysis", kurz: PCA) ist ein mathematisches Verfahren der multivariaten Statistik. Die PCA dient dazu, umfangreiche Datensätze zu strukturieren, zu vereinfachen und zu veranschaulichen, indem eine Vielzahl statistischer Variablen durch eine geringere Zahl möglichst aussagekräftiger Linearkombinationen (die Hauptkomponenten) genähert wird. Solche Signaturen sind charakteristisch wie ein Fingerabdruck für das jeweilige Bier und ermöglichen, Rückschlüsse auf die Qualität des Bieres zu ziehen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Leitzsubstanzen bzw. Markerverbindungen schnell, effizient und vollautomatisiert in Echtzeit bestimmt werden, sowohl qualitativ als auch quantitativ, um so Rückschlüsse auf den Gärerfolg und den Reifungsgrad der jeweiligen Charge zu ziehen. Fehlchargen könne dadurch ohne Verzögerungen in Echtzeit identifiziert werden. Die Endpunkte der Fermentation bzw. der Reifegrad lassen sich für jede einzelne Charge sehr genau bestimmen, um so die die Qualität des Bieres genau zu erfassen und sicherzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es zudem, die aufwändige Laboranalytik zu ersetzen und in den Prozess zu verlagern. Alternativ ist es auch möglich, Stichproben für eine existierende Laboranalytik als Handprobe zu entnehmen und zu messen.
Neben dem Verfahren umfasst die Erfindung auch eine Anlage zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier durch Bestimmung von einer oder mehreren Aromakomponenten oder anderen Inhaltsstoffen des Bieres, umfassend a) eine Probenentnahmeeinrichtung für die automatisierte Entnahme einer Bierprobe aus einem oder mehreren Fermentationsbehältern einer Brauanlage, b) eine Separationseinrichtung, umfassend einen Filter oder eine Zentrifuge, zur Entgasung und/oder Entfernung von nicht-flüssigen Schwebstoffen in der Bierprobe, c) ein Probenumwandlungsmodul, bestehend aus einem oder mehreren beheizbaren Probenbehältern, zur Umwandlung von Vorstufen der Aromakomponenten in die Aromakomponenten oder von Inhaltsstoffen, d) eine Messeinrichtung zur Bestimmung der in der Gasphase des Kopfraums eines Probenbehälters enthaltenen Aromakomponenten oder Inhaltsstoffe.
Die Separationseinrichtung der Anlage kann zwei Aufgaben übernehmen. Sofern es sich um eine weitgehend klare Flüssigkeit handelt, erübrigt sich eine Entfernung von Feststoffen. In diesem Fall würde beispielsweise die Entgasung über die Zentrifugation erfolgen. Sofern jedoch die Bierprobe sehr trüb ist und somit eine hohe Konzentration von Schwebstoffen aufweist, ist es erforderlich, die Bierprobe zu klären, indem nicht flüssige Schwebstoffe, d.h. Feststoffe, aus dieser entfernt werden. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass vor der Separationseinrichtung ein Entgasungsmodul für die Entgasung der aus dem oder den Fermentationsbehälter(n) entnommenen Bierprobe vorgenommen wird. Erst dann gelangt die entgaste Bierprobe in die Separationseinrichtung, d.h. die Filtrationseinrichtung oder Zentrifuge.
In einer bevorzugten Variante des Systems sind zur Probennahme Prozessmedienventile vorgesehen, die insbesondere zur Bereitstellung von Frischwasser, Fleißwasser oder Dampf zum Sterilisieren sowie für die Zuleitung von CIP-Medien geschaltet werden. Ferner gibt es in einer bevorzugten Variante auch die Möglichkeit für eine Handprobe bzw. zur Kalibrierung.
Der Filter des Filtrationsmoduls ist nach jeder Messung vorzugsweise rückspülbar. Für eine spektroskopische multivariate Auswertung von Inhaltsstoffen des Bieres ist in einer bevorzugten Variante ferner ein UV/VIS-Modul vorgesehen. Damit wird eine spektroskopische Messung des filtrierten und entgasten Bieres möglich. Auch kann eine multivariate Daten au swertung zur Bestimmung der Menge an höheren Alkoholen, Aminosäuren, Zuckern, Estern oder anderen Verbindungen durchgeführt werden. Üblicherweise sollte die VDK-Fracht jedoch <500 ppb betragen, damit die UV/VIS geeignete Signaturen hervorbringt. Der Verlauf der Fermentation kann über die multivariate Statistik detektiert werden und für jede Charge ein sogenannter "golden batch" ermittelt werden. Ferner können auch Abweichungen von diesem Mittelwert zum Nachweis von Fehlchargen herangezogen werden. Letztendlich werden dadurch Produktionszeiten verkürzt und die Qualität erhöht.
In einer bevorzugten Variante ermöglicht die UV/VIS auch die Überwachung der CIP-Abläufe, insbesondere was die Zusammensetzung der Reinigungsmedien betrifft, aber auch was die Sauberkeit von Wasser, Laugen und Säuren angeht. Damit lässt sich die CIP-Prozessführung optimieren, der Wasser- und Chemikalieneinsatz reduzieren und letztendlich die Reinigung optimieren. Das UV/VIS-Modul besteht aus einem Spektrometer mit Messzellen plus der erforderlichen Einrichtungen für die Datenverarbeitung, Software und Elektronik. Ferner umfasst sie auch die Fluidtechnik zur Messung und Regelung der Fluidströme. Anstelle einer UV/VIS könnten auch Sensoren eingesetzt werden, um beispielsweise pH-Messungen, Dichtemessungen oder Messungen der elektrischen Leitfähigkeit vorzunehmen.
Das Probenentnahmemodul ist wie oben beschrieben zusammengesetzt und umfasst einen oder mehrere Probenbehälter, die vorzugsweise von einem Agitator geschüttelt und über eine Heizeinrichtung beheizt werden. Das erfindungsgemäße System umfasst auch die Steuerungstechnik und Software zur Verwaltung und Steuerung von Ventilen, Pumpen und Sensoren. Die Steuerungstechnik überwacht und startet Spülungsabläufe, wenn die Startkonditionen gegeben sind. Ferner können auch Probleme in den zu steuernden Komponenten aufgedeckt werden, um so entsprechende Alarme auszulösen. Der gesamte Fermentationsprozess kann gesteuert und überwacht werden, insbesondere die Zeitpunkte der Probenentnahme, der Messung und des Abstoppens des Fermentationsprozesses in Abhängigkeit von der zu messenden Biersorte.
Durch die Wärmezufuhr und das Schütteln der Probenbehälter des Probenumwandlungsmoduls wird sichergestellt, dass eine vollständige Umwandlung der Vorstufen der VDK zu den VDK erfolgt. Liegt der Messwert der aus dem Probenumwandlungsmodul entnommenen Probe unterhalb des gewünschten Richtwertes, dann ist auf jeden Fall sichergestellt, dass der gewünschte Reifegrad in den Lagertanks erreicht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass die Messergebnisse dafür verwendet werden können, auf den Brauprozess gezielt Einfluss zu nehmen, insbesondere wenn Parameter einen festgelegten Schwellenwert unter- oder überschreiten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 zeigt ein Schema des Verfahrens und Systems zur automatisierten Überwachung des Gärerfolges und des Reifungsgrades von Bier während des Bierbrauprozesses.
Fig. 2 zeigt den Verlauf von Gesamt- Diacetyl während der Fermentation.
Fig. 3. zeigt eine Hauptkomponentenanalyse von drei verschiedenen Fermentationsproben.
Fig. 4 zeigt die Spektren einer Bierprobe nach Anwendung einer Vertikalzentrifugation.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In Fig. 1 erkennt man links oben zunächst ein Tanklager, welches aus mehreren Fermentationsbehältern besteht. Von Einzel- oder mehreren Behältern können zu bestimmten, zuvor festgelegten Zeitpunkten Bierproben entnommen werden. In den Fermentationsbehältern findet über mehrere Tage die alkoholische Gärung statt. Durch die Aufspaltung von Zucker durch die Hefen entsteht Alkohol und Kohlenstoffdioxid. Während dieses Prozesses entstehen auch die Vorstufen der VDK. Die VDK werden gegen Ende des Fermentationsprozesses in weniger geschmacksintensive Moleküle umgewandelt. Ziel ist es, dass das Bier nur so lange wie nötig in den Behältern verbleibt, um einen höheren Durchsatz in der Bierproduktion zu realisieren.
Durch die Tankprobenentnahme werden automatisch in einem festgelegten Zyklus Proben durch Schalten mehrerer Ventile aus dem Fermentationstank entnommen. Durch die Automatisierung entfällt eine händische Probenentnahme. Über Prozessmedienventile wird die Probe von den Tanks zum Entgasungs- und Filtrationsmodul geleitet. An jedem Fermentationsbehälter sind Probenentnahmeventile sowie Probenleitungen vorgesehen. Diese münden letztendlich in ein leckagesicheres Drei-/Zwei-Wege-Ventil, über das die Medien in das System eingespeist werden können. Je nach Aufbau der Anlage können die Prozessmedienventile den gesamten Aufbau des Systems versorgen oder alternativ kann jedes Modul eigene Prozessmedienventile besitzen. Die aus dem Tanklager entnommene Probe wird letztendlich dem Entgasungs- und Filtrationsmodul zugeführt. Dort findet zunächst eine Entgasung statt, d.h. die Bierprobe wird durch Vordruck mit minimaler Schaumbildung in das Entgasungsmodul transportiert und das Gefäß anschließend entspannt.
Vorzugsweise enthält der Entgasungsbehälter eine Sprühkugel zur Reinigung und ein Rührwerk zur Entgasung. Ferner sind auch Messeinrichtungen zur definierten Befüllung des Behälters vorgesehen. Ein Ventil verhindert einen Überdruck. In einer bevorzugten Variante ist eine Gegendruckkontrolle mit allmählichem Entspannen auf atmosphärischen Druck möglich, mit dem Ziel der Reduzierung der Schaumbildung. Letztendlich ermöglicht das Entgasungsmodul eine schaumarme Befüllung. Zur weiteren Entfernung der Schwebstoffe ist ein Filtrationsmodul vorgesehen, d.h. eine Filtereinrichtung, mit der es möglich ist, Partikel zu entfernen, die größer als 2 pm sind. Die Filtration ist erforderlich, um ein klares und reproduzierbares Filtrat für die spätere Messung zu erhalten. Ferner ist es wesentlich, dass es zu keiner Kreuzkontamination zwischen den Proben kommt. Der Filter ist nach jeder Messung rückspülbar. Optional kann die entgaste und filtrierte Probe nun einem UV/VIS-Modul zugeführt werden, um dort spektroskopische Analysen vornehmen zu lassen.
Ansonsten geht die Probe direkt in das Probenumwandlungsmodul. Dort wird die Probe zu gleichen Teilen auf die einzelnen Probenbehälter aufgeteilt. Die Probenbehälter werden für eine bestimmte Zeitdauer auf eine bestimmte Temperatur zwischen vorzugsweise 50 °C und 90 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 60 °C oder etwa 80 °C, erhitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Proben gleichzeitig von einem Agitator gleichmäßig geschüttelt. Hierbei sind Frequenzen zwischen >0 Hz - 20 Hz vorgesehen. Durch das Schütteln der Probe wird die Umwandlung der Vorläufer der VDK und das Erreichen des Gleichgewichtszustandes im Head-Space der Probenbehälter unterstützt. Ein Teil der Proben kann über ein Ventil auch einem Gully zugeleitet werden, in den auch verworfene Medien abgeführt werden, beispielsweise CIP- oder Spülmedien. Das Probenumwandlungsmodul umfasst ferner eine Temperierungskammer sowie Einrichtungen zum Zuführen von Luft. Messgas wird aus dem Head-Space der Probenbehälter entnommen und einer Messeinrichtung zugeführt. In der gezeigten Variante handelt es sich hierbei um ein Modul zur Messung von Diacetyl. In der gezeigten Ausführungsvariante kommt die GC-IMS zum Einsatz. Das Messmodul besteht aus elektrischen Druckreglern (EPC 1, EPC 2), einer GC-Säule zur ersten Auftrennung und einem lonenmobilitätsspektrometer (IMS) zur zweiten Auftrennung. Eine Pumpe, Probenschleifen und Fluidleitungen sowie geeignete Ventile und Steuerungskomponenten sorgen für eine automatisierte Messung der Aromakomponenten, im gezeigten Fall der Bestimmung von Diacetyl.
In der gezeigten Ausführungsvariante kommt als Messeinrichtung ein Modul zur direkten Diacetyl- Messung zum Einsatz. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Bestimmung von vicinalen Diketonen beschränkt, sondern funktioniert auch für die qualitative und die quantitative Bestimmung anderer Aromakomponenten, d.h. Jungbier-Bukettstoffen oder Bukettstoffen.
Das Messgas aus dem Probenumwandlungsmodul wird durch ein Trägergas getrieben, um die GC-Säule zu beaufschlagen. Diese befindet sich in einer Temperierungskammer. Abhängig von der Mobilität und dem Dampfdruck trennen sich die Moleküle in der Säule ab und treten als unterschiedliche Chargen aus der Säule hervor. Die Trennleistung sowie der Austrittszeitpunkt kann über den Säulentyp, die Säulenlänge und die Temperatur gesteuert werden. Im sich anschließenden IMS werden die eintretenden Moleküle ionisiert und von einem elektrischen Feld durch das Trägergas gezogen. Während der Aufbereitung spült eine Pumpe die Probenschleife mit Luft, sowie die EPCs, die GC-Säule und das IMS mit Trägergas. Während der Probenförderung ist die Pumpe ausgeschaltet. Der Druckregler EPC 1 lässt das Trägergas (N2) durch das IMS strömen. Über den Druckregler EPC 2 wird die GC-Säule gespült. Bei der Probenentnahme wird die Probe über die Fluidleitung in die Probenschleife geführt. Ist die Probe mit einer repräsentativen Probe gefüllt, wird das 6-Port-Ventil geschaltet und die Probe auf die GC-Säule geleitet. Nach vollendeter Probennahme schaltet das Ventil zurück und die Probenschleife wird wieder mit Luft mittels der Pumpe gespült.
In Fig. 2 ist eine Auswertung einer erfindungsgemäßen Bierprobe anhand einer Bestimmung von Gesamt- Diacetyl gezeigt, um den Endpunkt der Fermentation zu bestimmen. Man erkennt, wie die Konzentration an Diacetyl im Laufe des Reifungsprozesses des Bieres abnimmt. Der Peak liegt bei einer Fermentationsdauer von etwa 90 Stunden. Danach nimmt die Menge an Gesamt-Diacetyl ab. Nach etwa 220 Stunden flacht die Kurve ab, d.h. die Abnahme läuft weniger schnell. Wann die Fermentation abgebrochen wird, hängt nun von der jeweiligen Biersorte und der erwünschten Restkonzentration an Gesamt-Diacetyl ab. Bei leichten Lagerbieren liegt der Schwellenwert von Diacetyl in der Regel bei etwa 5 ppb. Bei dunklen Bieren reicht ein Schwellenwert zwischen 40 und 60 ppb, da die menschliche Sensorik den Geschmack bei noch niedrigeren Werten nicht erfassen könnte.
Ist der gewünschte Richtwert erreicht, ist der Reifungsprozess fertig und das Bier kann aus dem Tanklager zur Abfüllung entnommen werden. Durch die Probenumwandlung im Probenumwandlungsmodul, die damit einhergehende Temperaturerhöhung und das optionale Schütteln der Probe wird sichergestellt, dass sich keine weiteren VDK in signifikanter Menge mehr bilden können. Das Bier erhält seine gewünschte Qualität und wird weder zu früh noch zu spät zum Fertigbier abgefüllt.
In Fig. 3 ist eine Hauptkomponentenanalyse ("Principal Component Analysis" - PC) von drei Fermentationsproben gezeigt.
Die Hauptkomponentenanalyse ist ein Verfahren der multivariaten Statistik. Sie dient dazu, umfangreiche Datensätze zu strukturieren, zu vereinfachen und zu veranschaulichen, indem eine Vielzahl statistischer Variablen durch eine geringere Zahl möglichst aussagekräftiger Linearkombinationen genähert wird.
Die Analyse der drei Fermentationsproben erfolgt in dreidimensionaler Darstellung unter Heranziehung einer ersten Hauptkomponente (PC1) und einer zweiten Hauptkomponente (PC3) in Abhängigkeit von der Fermentationsdauer (Fermentationszeit in Tagen). Die Fermentationsprobe 1 zeigt den Verlauf von Diacetyl einer idealen Probe. Die Fermentationsproben 2 und 3 zeigen im Vergleich hierzu einen veränderten Verlauf, so dass daraus geschlossen werden kann, dass der Endpunkt der Fermentation bereits überschritten wurde (Fermentation 2) bzw. noch nicht erreicht wurde (Fermentation 3). Im Idealfall ist der Endpunkt der Fermentation dann erreicht, wenn die Kurve den Verlauf der Referenzkurve hat (Fermentation 1).
Die Analyse der Probe erfolgte erfindungsgemäß durch eine Probenvorbereitung, d.h. die Probe wurde hierzu aus einem Fermentationsbehälter entnommen und zunächst in einem Entgasungsmodul entgast. Anschließend wurden nicht flüssige Schwebstoffe über einen rückspülbaren Filter entfernt und das so erhaltene Filtrat einem Probenbehälter zugeführt. Hier erfolgte eine Inkubation der Probe von etwa 90 min bei einer Temperatur von 60° C. Anschließend wurde das Messgas aus dem Kopfraum des Probenbehälters entnommen und einer GC-IMS Messeinrichtung zugeführt, um den Gehalt an Gesamtacetyl zu bestimmen. So wurde das Ergebnis der Fig. 3 erhalten.
Fig. 4 zeigt die Anwendung einer vertikalen Dekantierzentifugation bei einer Bierprobe. Die Zentrifugation erfolgte bei 800 RCF für eine Zeitdauer von 240 Sekunden. Als Kontrolle diente eine Probe, welche nicht zentrifugiert wurde (0 RCF). Die Adsorptionseinheiten (AU = Absorbance Units) liegen in dem analysierten Wellenlängenbereich deutlich unterhalb der Kontrollproben. Die Ergebnisse wurden durch eine T rübungsmessung bestätigt.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Fierstellung von Bier durch Bestimmung von einer oder mehreren Aromakomponenten oder anderen Inhaltsstoffen des Bieres, umfassend die Schritte: a) automatisiertes Entnehmen einer Bierprobe aus einem oder mehreren Fermentationsbehältern, b) Bedarfsweises Entgasen und Filtrieren, oder Zentrifugieren der Bierprobe zur Entfernung von nicht-flüssigen Schwebstoffen, c) Einleiten des Filtrats oder des Zentrifugats der Bierprobe in ein Probenumwandlungsmodul, das aus einem oder mehreren Probenbehältern besteht, in denen jeweils ein definiertes Probenvolumen der bedarfsweisen filtrierten oder zentrifugierten Bierprobe eingeleitet wird, bei dem ein ausreichendes Kopfraumvolumen noch vorhanden ist, d) Erwärmen der Proben in dem Probenbehälter oder den Probenbehältern zur Umwandlung von Vorstufen der Aromakomponenten in die Aromakomponenten oder von Inhaltsstoffen, wobei die Erwärmung solange erfolgt, bis die Vorstufen der Aromakomponenten nahezu vollständig in die Aromakomponenten umgewandelt worden sind, e) Entnehmen von Messgas aus dem Kopfraum von dem Probenbehälter oder von einem der Probenbehälter und Überführen des Messgases in eine Messeinrichtung zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der einen oder mehrerer Komponenten des Bieres.
2. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Fierstellung von Bier nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Aromakomponenten um vicinale Diketone handelt, vorzugsweise um Diacetyl (Butan-2,3-dion) oder Pentan-2,3-dion.
3. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Fierstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Probenbehälter des Probenumwandlungsmoduls mit den darin aufgeteilten Proben erwärmt und gleichzeitig geschüttelt werden.
4. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten des Filtrats oder des Zentrifugats in den oder die Probenbehälter eine spektroskopische Messung der filtrierten und entgasten Bierprobe, vorzugsweise über UV/VIS, erfolgt.
5. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Messeinrichtung um eine GC-IMS, GC-ECD, GC-MS oder ein UV/VIS-Spektrometer handelt.
6. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsverlauf durch eine Hauptkomponentenanalyse der spektroskopischen Signatur von ausgewählten Komponenten des Bieres ausgewertet wird.
7. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass genaue Endpunkt der Fermentation dann erreicht ist, wenn die gemessenen Komponenten des Bieres unterhalb eines gewünschten Schwellenwertes in der Bierprobe vorhanden sind.
8. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme des Messgases vom Kopfraum des Probenbehälters durch Pumpen, Einleitung eines Fluids oder Absaugen erfolgt.
9. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Filtration die aus dem oder den Fermentationsbehältern entnommenen Bierprobe in ein Entgasungsmodul überführt und entgast wird.
10. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrifugieren in einer vertikalen Dekantierzentrifuge durchgeführt wird.
11. Verfahren zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugation zwischen 600 und 4000, vorzugsweise zwischen 600 und 1200, bevorzugt bei etwa 800 RCF erfolgt.
12. Anlage zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier durch Bestimmung von einer oder mehreren Aromakomponenten oder anderen Inhaltsstoffen des Bieres, umfassend: a) eine Probenentnahmeeinrichtung für die automatisierte Entnahme einer Bierprobe aus einem oder mehreren Fermentationsbehältern einer Brauanlage, b) eine Separationseinrichtung, umfassend einen Filter oder eine Zentrifuge, zur bedarfsweisen Entgasung und/oder Entfernung von nicht-flüssigen Schwebstoffen in der Bierprobe, c) ein Probenumwandlungsmodul, bestehend aus einem oder mehreren beheizbaren Probenbehältern, zur Umwandlung von Vorstufen der Aromakomponenten in die Aromakomponenten oder von Inhaltsstoffen, d) eine Messeinrichtung zur Bestimmung der in der Gasphase des Kopfraums eines Probenbehälters enthaltenen Aromakomponenten oder Inhaltsstoffe.
13. Anlage zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach Anspruch 12, ferner umfassend ein Entgasungsmodul für die Entgasung der aus dem oder den Fermentationsbehältern entnommenen Bierprobe vor Filtration in der Separationseinrichtung.
14. Anlage zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zentrifuge der Separationseinrichtung um eine vertikal Dekantierzentrifuge handelt.
15. Anlage zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessmedien-Ventile zur Bereitstellung von Frischwasser, Heißwasser oder Dampf zum Sterilisieren sowie CIP-Medien vorgesehen sind.
16. Anlage zur automatisierten Qualitätsüberwachung des Fermentationsprozesses und/oder zur
Bestimmung des Endpunktes der Fermentation während des Bierbrauprozesses bei der Herstellung von Bier nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter des Fitrationsmoduls nach jeder Messung rückspülbar ist.
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